If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

如果你被网页过滤器挡住,请确保域名*.kastatic.org*.kasandbox.org 没有被阻止.

主要内容

显微镜学

对显微镜以及它们的工作原理的简介。包括明视野显微镜学,荧光显微镜学,和电子显微镜学。

介绍

如果你遇到一些细胞生物学家,并让他们谈论在工作中最喜欢的东西,你可能会发现这都归结到一件事:暗地里,他们都是显微镜的狂热爱好者。说到底,他们真正喜欢的是有机会连续几个小时坐在一个黑暗的小房间里,通过美丽的显微镜镜头与他们最喜欢的细胞类型交流。这似乎很奇怪,但事实是,细胞可以相当华丽,就像活着的彩色玻璃。我最喜欢的例子之一便是下面的图片,它显示了一片拟南芥(一种与芥末类似的小型开花植物)的幼叶。
Confocal microscopy image of a young leaf of thale cress, with one marker outlining the cells and other markers indicating young cells of the stomatal lineage (cells that will ultimately give rise to stomata, cellular valves used for gas exchange).
图片来源: 卡丽·梅津格·诺思过,斯坦福大学伯格曼实验室。
这张照片不是一个普通光学显微照片;这是一个被悉心处理过的植物的荧光照片——植物细胞里的各种细胞器被用不同的化学物质标记以产生荧光。然而,无论我们能否轻易看到,这种细胞的复杂性和美都在我们身边。
你能在任何植物中——从你后院的玫瑰,到人行道上生长的草,再到你作为零食吃的胡萝卜——看到细胞复杂却美丽地排列着。不仅仅在植物里,在你的皮肤,昆虫的翅膀,以及你选择看的几乎任何其他活组织中,你都能发现精致的细胞层。 我们,和我们身边的世界,都是由细胞组成的恢弘的大教堂。我们只需要一些显微镜便能欣赏它。

显微镜和镜片

虽然细胞的大小不同,但它们一般都相当小。例如,一个典型的人类血红细胞的直径约为8微米(0.008 毫米)。给你一些参照:一个针头的直径大约是一毫米,所以大约125个红血球可以在一个针头排成一行。除了少数个例, 单个细胞不能用肉眼看到,因此科学家必须使用显微镜(micro = "微小";scope = "用来看的仪器")。 显微镜 是一种用来放大物体的仪器,产生物体看起来更大的图像。这些物体往往平时太小,难以被看到,比如细胞。大多数细胞照片都是用显微镜拍摄的,这些照片也被称为 显微照片
从上面的定义来看,显微镜听起来只是一种放大镜。事实上,放大镜确实有资格作为显微镜;因为它们只有一个镜片,它们被称为简式显微镜。我们通常认为的显微镜,那些更花哨的仪器,是复式显微镜,这意味着它们有多个镜片。通过这些镜片的排列方式,它们可以弯曲光线,产生的图像比只用一个放大镜有更高的放大倍数。
在带有两个镜片的复式显微镜中,镜片的排列导致了一个有趣的结果:你看到的图像的方向相对于你正在检查的实际物体有翻转。例如,如果你看一张印纸上面写着字母“e”,那么你通过显微镜看到的图像将是“ə”。start superscript, 1, end superscript 更复杂的复式显微镜可能并不会产生一个颠倒的图像,因为它们含有一个额外的镜片将图像重新反转回正常状态。
是什么区别了基础的显微镜与研究实验室离使用的强大机器?对于显微技术来说,两个参数十分重要:放大率和分辨率。
  • 放大率是是衡量显微镜(或显微镜内的镜片组)能使物体放大多少倍的指标。例如,高中和大学通常使用的光学显微镜可以将无题放大到400倍左右。这就代表着,现实生活中1mm宽的物体,在显微镜图像里将有400mm宽。
  • 显微镜或透镜的 分辨率 是两个点可以分开并被区分为单独物体的最小距离。此值越小,显微镜的 分辨率 越高,图像的清晰度和细致度就越好。如果两个细菌细胞在载玻片上非常接近,他们在一台分辨率低的显微镜上会看起像一个模糊的点。但在具有高分辨率的显微镜上他们可以被区别开来。
如果你想要得到一些非常微小的东西的清晰图像,放大率和分辨率都非常重要。例如,如果一台显微镜有较高的放大率但分辨率较低,你只能得到放大版的模糊图像。不同类型的显微镜在放大倍率和分辨率上会有所不同。

光学显微镜

大多数学生用的显微镜是光学显微镜。在光学显微镜下, 可见光穿过样本 (你正在观察的生物样品),并被镜片组弯曲,使你能够看到放大的图像。光学显微镜的一个好处是,它通常用来观察活细胞上,因此观察细胞在显微镜下进行其正常行为(例如,迁移或分裂)是可行的。
一台光学显微镜,在高中和本科生物实验室中很常见。
图像来源:OpenStax 生物学。修改自“GcG”/维基共享资源的图片。
学生实验室微镜往往是 亮视野 显微镜,这意味着可见光线通过样品直接形成图像,没有任何修改。较复杂的显微镜使用光学技术来加强对比度,使细胞和组织的细节更容易看到。
另一种类型的光学显微镜是 荧光显微镜, 用于成像发出荧光(吸收一个波长的光并发出另一个波长)的样品。一个波长的光被用来激发荧光分子,发出另一个波长的光被收集起来,用来形成图像。在大多数情况下,我们要观察的细胞或组织的部分不是天然荧光的,而是在用显微镜观察前必须被荧光染料或物质标记过的。
在文章开始处的叶子图片是使用一种特殊的荧光显微镜拍摄的,称为 共焦显微镜。共焦显微镜使用激光去激发薄薄一层样品,只收集来自目标层的发射光,产生清晰的图像,不受来自周围层荧光分子的干扰start superscript, 4, end superscript

电子显微镜

一些尖端类型的光学显微镜(使用了超出我们上面讨论的技术)可以产生非常高分辨率的图像。然而,如果你想在非常高的分辨率看到非常小的物品,你可能要使用一种不同的,可靠的技术:电子显微镜
电子显微镜与光学显微镜的不同之处在于,它们通过使用电子束而不是光束来产生样品的图像。电子的波长比可见光短很多,这使得电子显微镜能够产生比普通光学显微镜更高分辨率的图像。电子显微镜不仅可以用来检查整个细胞,还可以用来检查细胞内的亚细胞结构。
然而,一个限制是,电子显微镜样品必须被置于真空中(而且通常会经过繁多的防腐固化处理)才能成像。这意味着活细胞无法用电子显微镜成像。
通过光学显微镜和扫描电子显微镜形成的沙氏门菌图像。在扫描电微图中可以看到更多的细节。
图像来源:OpenStax 生物学。 来源a:修改自基奇山实验室、查尔斯·法默武装部队病理学研究所的工作成果;来源b:修改自NIAID、NIH的工作成果;比例尺信息由马特·罗素提供。
在上图中,你可以比较 沙门氏菌 在光学显微镜(左)中与在用电子显微镜(右)拍摄的图像中外观的不同。细菌在光学显微镜中显示为微小的紫色圆点,而在电子显微镜中,你可以清楚地看到它们的形状和表面纹理,以及它们试图入侵的人类细胞的细节。
电子显微镜的照片。它非常大,大约相当于一个工业炉的大小。
图像来源:OpenStax 生物学。修改自Evan Bench的研究成果。
电子显微镜有两种主要类型。扫描电子显微镜SEM)通过在细胞或组织的表面移动电子束,形成三维表面的详细图像。这种类型的显微镜被用来拍摄上面右图显示的 沙门氏菌 的图像。
相反,在 投射电子显微镜TEM)中,样品在成像前被切割成极薄的切片(例如,使用钻石切割),且电子束通过切片而不是扫过表面start superscript, 5, end superscript。TEM常常被用来获取细胞内部结构的详细图像。
电子显微镜,想上图中的一样,比普通的光学显微镜要笨重得多,价格也要高得多。考虑到他们要处理的亚原子粒子,这或许并不奇怪!